Интенсификация тепловых процессов

Классификация теплообменных аппаратов

Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты принято классифицировать по принципу действия, по назначению и по режиму работы.

По принципу действия теплообменные аппараты разделяют на смесительные и рекуперативные (поверхностные) (рис. 5.3).

В смесительных аппаратах теплоотдача осуществляется при непосредственном соприкосновении и смешении теплоносителя с нагреваемой средой. Тепловые процессы в таких аппаратах, как правило, сопровождаются массообменом.

Большинство теплообменных аппаратов, применяемых в технологии строительных материалов для сушки и обжига, по принципу действия можно отнести к смесительным аппаратам. В них нагреваемой средой является обрабатываемый твердый материал (садка керамических изделий, известняк, цементный клинкер, керамзит, песок и др.).

В рекуперативных аппаратах тепло от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку. К таким аппаратам относятся паровые котлы, отопительные приборы, котлы для варки гипса и плавления битума, сушилки, кассетные установки, бункера для подогрева заполнителей для бетона и др.

В химической технологии находят применение также регенеративные теплообменные аппараты. В регенеративных аппаратах процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделен во времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника.

При производстве бетонных и железобетонных конструкций применяются теплообменные аппараты, в которых тепло к обрабатываемому материалу передается как при непосредственном соприкосновении теплоносителя и материала, так и через разделяющую их стенку.

Такой смешанный вариант подвода тепла используется при тепловлажностной обработке железобетонных конструкций в ямных и туннельных пропарочных камерах и автоклавах.

Здесь изделие нагревается как с открытой поверхности, соприкасающейся с паром, так и через металлические стенки формы.

По назначению определенного технологического передела тепловые установки классифицируют на сушильные, печные, тепловлажностные, плавильные.

По режиму работы тепловые установки подразделяют на непрерывные и периодические.

На рис. 5.3 показаны принципиальные схемы некоторых установок для тепловой обработки.

1)

2)

3)

1 – смесительные теплообменные аппараты; 2 – рекуперативные аппараты; 3 – аппараты смешанного действия

Рисунок 5.3 – Принципиальные схемы установок для тепловой обработки

Интенсивность теплообмена определяется величиной плотности теплового потока q. Если учесть, что

,

где K – коэффициент теплопередачи, Δ t_т – средний температурный напор, то в конечном итоге повышение интенсивности работы аппарата связано с повышением Δ t_т и K.

Наиболее целесообразный путь повышения интенсивности теплообмена заключается в повышении K, так как увеличение Δ t_т в аппарате не всегда приемлемо, поскольку увеличивается выход брака.

Коэффициент K зависит от коэффициента теплопроводности λ материала стенок, разделяющих среды, а также от коэффициента теплоотдачи α. При больших λ и α большим будет и K.

Для повышения λ подбирают соответствующий материал для стенки с учетом технической и экономической целесообразности.

Повышение коэффициента α может быть достигнуто различными путями: повышением скорости движения сред; улучшением условий обтекания поверхности; турбулизацией движущегося потока; уменьшением толщины пограничного слоя.

Увеличение коэффициента теплоотдачи α конденсирующегося пара при тепловой обработке бетона осуществляют путем предварительной продувки пропарочных камер и автоклавов паром с целью удаления из объема камер воздуха.

Другим средством повышения α является уменьшение толщины конденсатной пленки на поверхностях теплообмена. Это достигается созданием условий для лучшего стекания конденсатной пленки, срыва пленки потоком пара и гидрофобизацией поверхности, когда сплошная пленка конденсата вообще не образуется.

Экономичность теплообменных аппаратов определяется величиной к. п. д. (η):

,

где Q_п – полезное тепло, используемое для нагрева материала; Q_т – количество тепла, которое может быть отдано теплоносителем при охлаждении его до температуры окружающей среды.

Повышение количества используемого тепла может быть достигнуто уменьшением непроизводительных потерь его в окружающую среду и максимальным использованием тепла, которое отходит с печными газами и материалом (готовым продуктом).

Первое достигается за счет теплоизоляционных мероприятий, второе – рациональным использованием отходящего тепла для отопительных целей, подогрева воды, материалов и т. д.

При проектировании теплового процесса или аппарата необходимо учитывать, что конечной целью должно быть решение, оптимальное с технической и экономической точек зрения.

Это достигается в том случае, когда процесс проходит быстрее на всех этапах при максимальном использовании сырья, минимальном расходе энергии и при более высокой производительности оборудования.